열중량 분석

Thermogravimetric analysis
열중량 분석
약자TGA
분류열분석

Thermogravimetric analyser.jpg

일반적인 TGA 시스템
기타 기술
관련된등온 마이크로 열량 측정
차동 스캔 열량 측정
동적 기계적 분석
열역학적 분석
차열 분석
유전체 열분석

열중량분석 또는 열중량분석(TGA)은 온도 변화에 따라 시료의 질량을 시간에 따라 측정하는 열분석 방법입니다.이 측정은 상전이, 흡수, 흡착 및 탈착과 같은 물리적 현상에 대한 정보뿐만 아니라 화학적 현상, 열 분해 및 고체 가스 반응(예: 산화 또는 환원)[1]을 제공합니다.

열중량분석기

열중량분석기(TGA)는 열중량분석기로 불리는 기기에 대해 수행됩니다.열중량분석기는 시료의 온도가 시간에 따라 변화하는 동안 지속적으로 질량을 측정한다.질량, 온도 및 시간은 열중량 분석에서 기본 측정으로 간주되며, 이 세 가지 기본 측정에서 많은 추가 측정이 도출될 수 있습니다.

일반적인 열중량 분석기는 제어 온도가 프로그래밍 가능한 용해로 내부에 위치한 샘플 팬과의 정밀 균형으로 구성됩니다.온도는 일반적으로 일정한 속도로 증가하며(또는 일부 애플리케이션의 경우 일정한 질량 손실을 위해 온도가 제어됩니다) 열 반응을 일으킵니다.열 반응은 주변 공기, 진공, 불활성 가스, 산화/환원 가스, 부식 가스, 침탄 가스, 액체의 증기 또는 "자기 생성 대기"를 포함한 다양한 대기에서 발생할 수 있으며, 고진공, 고압, 일정한 압력 또는 제어된 압력도 포함됩니다.

열반응에서 수집된 열중량 데이터는 Y축의 질량 또는 초기 질량의 백분율과 X축의 온도 또는 시간에 대한 그래프로 구성됩니다.종종 평활화된 이 그래프를 TGA 곡선이라고 합니다.TGA 곡선의 첫 번째 도함수(DTG 곡선)는 심층 해석 및 미분 열 분석에 유용한 변곡점을 결정하기 위해 플롯할 수 있다.

TGA는 특성 분해 패턴의 분석을 통해 재료 특성화에 사용할 수 있다.열가소성 플라스틱, 열경화성 물질, 엘라스토머, 복합 재료, 플라스틱 필름, 섬유, 코팅, 페인트 및 연료를 포함한 고분자 재료 연구에 특히 유용한 기술입니다.

TGA의 종류

열중량측정에는 세 가지 유형이 있습니다.

  • 등온 또는 정적 열중량 측정:이 기술에서는 샘플 중량은 일정한 온도에서 시간의 함수로 기록된다.
  • 준정전 열중량 측정:이 기술에서는 샘플 온도가 등온 간격으로 순차적으로 상승하며, 이 기간 동안 샘플 질량은 다음 온도 램프가 시작되기 전에 안정성에 도달합니다.
  • 동적 열중량 측정:이 기술에서는 온도가 선형으로 변화하는 환경에서 샘플을 가열합니다.

적용들

열안정성

TGA를 사용하여 재료의 열 안정성을 평가할 수 있습니다.원하는 온도 범위에서, 만약 종이 열적으로 안정된다면, 관찰된 질량 변화는 없을 것이다.무시할 수 있는 질량 손실은 TGA 트레이스의 기울기가 거의 또는 전혀 없는 것에 해당합니다.TGA는 재료의 사용 온도도 상한으로 합니다.이 온도를 넘으면 재료는 열화되기 시작합니다.

TGA는 폴리머 분석에 사용된다.폴리머는 보통 분해되기 전에 녹기 때문에 TGA는 폴리머의 열안정성을 조사하는데 주로 사용된다.대부분의 폴리머는 200 °C 전에 녹거나 분해됩니다.그러나 TGA에 [2]의해 분석될 수 있는 구조적 변화나 강도 손실 없이 공기 중 최소 300°C, 불활성 가스 중 최소 500°C의 온도를 견딜 수 있는 열적으로 안정적인 고분자 클래스가 있다.[3] [4]

산화 및 연소

가장 간단한 재료 특성은 반응 후 잔류물이다.예를 들어, 연소 반응은 샘플이 정상 조건에서 열중량계 분석기에 로딩되어 테스트될 수 있습니다.열중량 분석기는 시료를 점화 온도 이상으로 가열함으로써 시료의 이온 연소를 유발합니다.Y축을 초기 질량의 백분율로 표시한 결과 TGA 곡선은 곡선의 최종 지점에서 잔류물을 보여준다.

산화 질량 손실은 [5]TGA에서 가장 일반적으로 관측 가능한 손실입니다.

구리 합금의 내산화성을 연구하는 것은 매우 중요합니다.예를 들어, NASA는 연소 엔진에 사용할 수 있는 첨단 구리 합금에 대한 연구를 진행하고 있다.그러나 산소가 풍부한 대기에서 구리 산화물이 생성됨에 따라 이러한 합금에서 산화 분해가 발생할 수 있습니다.NASA는 셔틀 물질을 재사용할 수 있기를 원하기 때문에 산화에 대한 저항력이 매우 중요합니다.TGA는 이러한 물질의 정적 산화를 연구하는 데 사용될 수 있습니다.

TG 분석 중 연소는 생성된 TGA 온도그램에서 생성된 뚜렷한 흔적을 통해 식별할 수 있습니다.한 가지 흥미로운 예는 금속 촉매가 다량 존재하는 정제되지 않은 카본 나노튜브 샘플에서 발생합니다.연소로 인해 TGA 트레이스는 정상적인 기능 형태에서 벗어날 수 있습니다.이 현상은 급격한 온도 변화에서 발생한다.무게와 온도를 시간 대비로 플롯할 때, 첫 번째 미분도의 급격한 기울기 변화는 샘플의 질량 손실과 열전대에 의한 급격한 온도 상승과 동시에 일어난다.질량 손실은 무게 감소로 인한 탄소의 산화를 넘어 재료 자체의 불일치로 인해 발생하는 연소에서 방출되는 연기 입자의 결과일 수 있다.

동일한 표본의 서로 다른 지점에서 서로 다른 무게 손실을 표본의 이방성 진단으로 사용할 수도 있습니다.예를 들어 내부에 분산된 입자가 있는 시료의 위쪽과 아래쪽을 표본으로 추출하면 온도그램이 겹치지 않고 입자의 [6][7]분포가 좌우로 다를 경우 둘 사이의 갭을 보이기 때문에 침전 검출에 도움이 됩니다.

열중량속도론

열중량속도론은 열분해 및 다른 [8][9][10][11][12][13][14]물질의 연소 과정에 관여하는 열(촉매 또는 비촉매) 분해의 반응 메커니즘에 대한 통찰력을 위해 탐구할 수 있다.

키신저법을 [15]이용하여 분해 과정의 활성화 에너지를 계산할 수 있다.

일정한 가열 속도가 더 일반적이지만, 일정한 질량 손실률은 특정 반응 속도론을 밝힐 수 있습니다.예를 들어, 폴리비닐 부티랄의 탄화 동태 매개변수는 0.2 중량 %/[16]min의 일정한 질량 손실률을 사용하여 확인되었다.

다른 기기와 조합하여 작동

열중량 분석은 종종 다른 프로세스와 결합되거나 다른 분석 방법과 함께 사용됩니다.

예를 들어, TGA 계측기는 최대 2000°C의 온도로 가열되어 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 질량 분석 가스 분석과 결합할 때 샘플의 무게를 연속적으로 측정합니다.온도가 상승함에 따라 시료의 다양한 성분이 분해되어 각 질량 변화의 중량 비율을 측정할 수 있다.

열중력분석과 미분열분석기술의 비교:
노 씨 열중량분석(TGA) 차분열분석(DTA)
1 TGA에서 체중 감소 또는 이득은 온도 또는 시간의 함수로 측정됩니다. DTA에서 샘플과 기준 사이의 온도 차이는 온도의 함수로 측정됩니다.
2 TGA 곡선은 수평 및 곡선 부분을 포함하는 단계로 나타납니다. DTA 곡선은 위쪽과 아래쪽의 피크를 나타냅니다.
3 TGA에 사용되는 계측기는 서모밸런스입니다. DTA에 사용되는 계측기는 DTA 기기입니다.
4 TGA는 난방 또는 냉방 시 질량의 변화를 나타내는 물질에 대해서만 정보를 제공합니다. DTA는 의미 있는 정보를 얻기 위해 샘플의 질량을 변경할 필요가 없습니다.

DTA는 열이 흡수되거나 방출되는 모든 과정을 연구하는 데 사용될 수 있습니다.

5 TGA에 사용되는 상한 온도는 보통 1000°C입니다. DTA에 사용되는 상한 온도는 종종 TGA(1600°C)보다 높습니다.
6 정량 분석은 열곡선에서 질량 {\ 단위로 손실을 측정하여 실시합니다. 정량 분석은 피크 면적과 피크 높이를 측정하여 이루어집니다.
7 TGA에서 얻은 데이터는 재료의 순도 및 성분, 재료의 건조 및 점화 온도, 화합물의 안정성 온도를 파악하는 데 유용하다. DTA에서 얻은 데이터는 물질의 전이 온도, 반응 및 녹는점을 결정하는 데 사용됩니다.

레퍼런스

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  2. ^ Liu, X.; Yu, W. (2006). "Evaluating the Thermal Stability of High Performance Fibers by TGA". Journal of Applied Polymer Science. 99 (3): 937–944. doi:10.1002/app.22305.
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